ВВЕДЕНИЕ

Прошедший век без преувеличения можно считать веком радио, которое было признано чудом мира. На первом этапе своего развития радиотехника, как одно из направлений науки и техники использовалась в основном для передачи информации. Это направление и сегодня актуально, т.к. в настоящее время на планете насчитывается более 500 миллионов телевизоров и более миллиарда радиоприемников, что еще раз подтверждает слова А.И.Берга. Человек может нормально мыслить длительное время только при условии непрекращающегося информационного общения с внешним миром.

По мере своего развития радиотехника вышла за пределы непосредственной передачи информации, т.к. появились и успешно развиваются следующие ее отрасли:

• Радиоэлектроника, включающая в себя радиовещание, телевидение, радиолокацию, радионавигацию, радиоуправление, радиоастрономию;

• Промышленная электроника, в которую входят информационная техника. Электроника систем контроля и управления;

• Ядерная электроник;

• Биологическая электроника;

• Энергетическая электроника;

• Электронная технология.

Значение радиотехники в развитии человечества подтверждают и темпы ее внедрения:

Так лабораторные установки телефонной связи внедрялись примерно 50 лет, радио около 35 лет, радиолокация порядка 15 лет, телевидение 12 лет, транзисторы, интегральные схемы, квантовые системы (лазеры и мазеры) 5 лет.

Под радиотехническими устройствами или системами в первую очередь следует понимать совокупность технических средств, предназначенных для передачи, приема и обработки информации с использованием при этом радиоканала.

Условно информационные радиотехнические системы можно разделить на три класса:

IРадиосистемы передачи информации. В данном случае передаваемая информация заложена в излучаемый передающей антенной сигнал. К таким системам относятся связные, вещательные, телевизионные, командные, телеметрические.

IIРадиосистемы извлечения информации. В такой системе полезная информация содержится в параметрах трассы, по которой распространяются электромагнитные колебания, поэтому в некоторых случаях отсутствует передающее устройство. К такой категории относятся системы радиолокации и радионавигации, траекторных измерений. Радиоастрономии, разведки.

IIIРадиосистемы разрушения информации, системы организации помех.

В независимости от вида радиоканала полезная информация по своему спектральному составу низкочастотна и может быть представлена в общем виде выражением , гдечастота низкочастотного сигнала., поэтому в качестве ее носителя используют высокочастотные колебания,частота несущего колебания, параметры которого изменяются по закону полезной информации. Таким образом имеет место неравенство

Значит в любом радиоканале передача информации осуществляется с помощью электрических сигналов. При этом количество передаваемой информации определяется параметрами этих сигналов. Практически используется два вида сигналов:

• Детерминированные;

• Случайные.

Детерминированные сигналы задаются в виде определенной функции времени (непрерывные сигналы с заданной амплитудой и фазовыми соотношениями, импульсные сигналы известной формы, амплитуды и положения во времени).

Детерминированные сигналы подразделяются на периодические и непериодические. Простым периодическим детерминированным сигналом является гармоническое колебание. В случае монохроматического гармонического сигнала его спектр состоит из одной спектральной составляющей. Реальные сигналы имеют размытый спектр, поэтому такой периодический сигнал может быть представлен суммой гармоник, частоты которых кратны основной частоте.

Основной характеристикой сложного периодического сигнала является его спектральная функция, содержащая информацию об амплитудах и фазах отдельных гармоник.

Примером непериодического детерминированного сигнала можно считать импульсный сигнал.

Случайные сигналы представляются в виде хаотической функции времени. Практически это любой сигнал, несущий информацию.

В процессе передачи информации электрические сигналы подвергаются различным преобразованиям. В зависимости от назначения радиоканала преобразование исходного сообщения в электрический сигнал осуществляется с помощью разнообразных датчиков, микрофона, передающих телевизионных трубок и т.д. В радиотелеграфии каждая буква заменяется комбинацией стандартных символов, преобразованных затем в электрические сигналы.

В радиотехнических системах практически используется весь диапазон частот, который в соответствии с рекомендациями международного консультативного комитета по радио делится на 9 диапазонов:

• 3-30 кГц ОНЧ (очень низкие частоты) — мириаметровые волны;

• 30-30·10² кГц НЧ (низкие частоты) — километровые волны;

• 3·10²-3·10³ кГц СЧ (средние частоты) — гекаметровые волны;

• 3-30 МГц ВЧ (высокие частоты) — декаметровые волны;

• 30-310² МГц ОВЧ (очень высокие частоты) — метровые волны;

• 3·10²-3·10³ МГц УВЧ (ультра высокие частоты) — дециметровые волны;

• 3-30 ГГц СВЧ (сверхвыокие частоты) — сантиметровые волны;

• 30-3·10² ГГц КВЧ (крайне высокие частоты) — миллиметровые волны;

• №·10²-3·10³ ГГц — децимиллиметровые волны.

Структурные схемы радиоканалов передачи и извлечения информации представлены на рис.1 и 2.

Рис. 1

Рис. 2

Впервые система радиосвязи была испытана 26 марта 1896 года А.С.Поповым, когда применялся искровой передатчик, в котором для формирования электромагнитных колебаний использовался эффект искрового разряда. Этот передатчик, не обеспечивая большой мощности сигнала и высокой стабильности частоты колебаний, создавал сильные помехи для соседних станций.

В 1902 году было осуществлено возбуждение переменного тока с помощью электрической дуги (дуговой передатчик), работающий на основе эффекта отрицательного сопротивления (падающий участок ВАХ). Управление колебаниями осуществлялось в антенной цепи с помощью телеграфного ключа. В 1920 году был создан дуговой передатчик мощностью 100кВт (Шаболовская станция). Недостатком данного передатчика была большая инерционность дуги, что не позволяло формировать колебания с длиной волны менее 100м при высокой стабильности частоты.

В 1923 году был опробован машинный генератор конструкции В.П.Вологдина, но и он из-за сложности в эксплуатации и низкой частоты колебаний (порядка 20 кГц) не нашел практического приложения.

Изыскание путей и методов повышения мощности и частоты генерируемых колебаний при высоком КПД и стабильности привело к появлению ламповых генераторов. В нашей стране генераторная лампа была создана М.А.Бонч-Бруевичем в 1918 году, а первая ламповая радиостанция в 1922году. В 1933 году в Москве была создана самая мощная в мире (500 кВт) станция Коминтерн. Необходимость увеличения информационной емкости радиоканалов при уменьшении их габаритов привело к освоению высоких частот. Развитие высокочастотных систем шло как по пути усовершенствования существующих систем, так и за счет разработки новых типов генераторов.

Первое направление привело к созданию триодов и тетродов, работающих в м, дм и см диапазонах. Впоследствии появились металлокерамические триоды, позднее, в конце 50-х годов, были созданы транзисторы СВЧ и генераторные диоды: туннельные (1957), ЛПД (1959), диоды Ганна (1964).

В 1932 году Д.А.Рожанским и А.Н.Арсеньевой был изобретен пролетный клистрон, а в 1937 году Н.Ф.Алексеевым и Д.Е.Мальяровым был создан многорезонаторный магнетрон, который и в настоящее время является наиболее эффективным генераторным прибором.

В конце 40-х годов появились ЛБВ, на базе которых были созданы широкополосные усилители СВЧ диапазона с малым уровнем собственных шумов. В начале 50-х разрабатываются ЛДВ — генераторы, позволяющие формировать сигналы большой мощности при КПД порядка 50-90%. В настоящее время с помощью квантовых систем освоен световой диапазон.

Необходимо отметить. Что техника СВЧ диапазона находит все большее применение в различных областях. Это не только связь, радиовещание. Телевидение, радиолокация и радионавигация. Телеметрия, радиоуправление и радиоастрономия. Важную роль устройства СВЧ играют в развитии космической техники. СВЧ колебании находят широкое применение в технологических целях (нагрев и сварка металлов. Пластмасс, пленок. Сушка пиломатериалов, стерилизация почвы). Широкое применение находят СВЧ колебания в медицине (физиотерапия, диагностика, оперирование с помощью лазерной техники), в ядерной физике, физике твердого тела, в химии.

I Выбор и обоснование структурной схемы радиопередающего устройства.

Составной частью большинства радиоканалов является радиопередающее устройство, которое выполняет следующие функции:

• Преобразование энергии источников питания в энергию высокочастотного тока;

• Осуществление модуляции, изменение какого-либо параметра высокочастотного колебания по закону передаваемой информации;

• Формирование выходного сигнала требуемой мощности и передача его в антенну.

Являясь составной частью радиоканала, радиопередающее устройство (РПУ) классифицируется по следующим признакам:

• по мощности;

• диапазону частот;

• роду работы;

• назначению;

• условиям работы.

Требования, предъявляемые к РПУ обусловлены их целевым назначением, а условия выполнения этих требований определяются рядом параметров, условно разделенных на две группы:

1. Электрические параметры

2. Эксплуатационные параметры

К основным электрическим параметрам относятся:

• Длина волны или диапазон длин волн, в пределах которых должен работать передатчик;

• Мощность сигнала на выходе передатчика;

• Стабильность частоты генерируемых колебаний;

• КПД передатчика.

К эксплуатационным параметрам можно отнести:

• Эксплуатационную надежность;

• Безопасность обслуживания и эксплуатации;

• Обеспечение работы в заданных условиях;

• Длительность непрерывной работы;

• Удобство обслуживания и ремонта.

Анализируя параметры первой группы, следует отметить, что частотный диапазон работы передатчика в первую очередь определяется назначением радиоканала. Так в передатчиках связи и радиовещания используются относительно низкочастотные сигналы. В соответствии с ранее представленной классификацией это СЧ, ВЧ и ОВЧ. В телевидении, радиолокации, радионавигации, в системах тропосферной и космической связи УВЧ, СВЧ.

В зависимости от назначения передатчики могут работать как на фиксированной частоте, так и в диапазоне частот. Ширина диапазона характеризуется коэффициентом его перекрытия:

В зависимости от назначения радиоканала величина этого коэффициента лежит в пределах от 1.1 до 7.

Как параметр РПУ мощность во многом определяет дальность действия канала и его надежность. В зависимости от назначения канала мощность передатчика лежит в пределах от долей ватта, до сотен мегаватт.

Важным параметром любого передатчика является стабильность частоты генерируемых колебаний, так как она определяет не только надежность радиоканала, но дальность его действия и помехозащищенность. Оценка данного параметра осуществляется с помощью нестабильности частоты, которая делится на абсолютную и относительную и, причем последняя более удобна для сравнительной оценки передатчиков. В зависимости от назначения радиоканала и типа генераторного прибора относительная нестабильность может быть порядка 10^-3-10^-18.

Являясь основным показателем передатчика КПД во многом определяет как габариты и вес системы, так и стоимость ее сооружения и эксплуатации.

При проектировании радиопередающих устройств важное место занимают конструктивные показатели (вес, габариты, тип конструкции, механическая прочность, теплостойкость, влагостойкость и т.д.). При этом требуется особо рациональная компоновка деталей и блоков, применение малогабаритных элементов и конструкций, легких сплавов, пластмасс и других материалов. Необходимо предусмотреть обеспечение простоты сборки, регулировки и контроля функционирования.

С учетом того, что обеспечение заданных параметров передатчика часто вступает в противоречие, проектирование передатчиков сопряжено с рядом специфических трудностей (повышение мощности и рост габарито-массовых показателей, повышение КПД определяет работу в нелинейном режиме, появление высших гармоник и повышение вероятности паразитного самовозбуждения). Следствием этих явлений может быть нарушение электромагнитной совместимости работы, искажение модуляционных характеристик и искажение передаваемого сообщения.

Наличие нелинейных режимов работы существенной усложняет анализ работы передающих устройств, синтез оптимальных устройств (структур) и инженерные методы проектирования.

В современных радиопередающих устройствах используются разнообразные электронные, ионные и полупроводниковые приборы. Целесообразность применения тех или иных приборов, их конкретные типы определяются на основании технико-экономических расчетов В мощных передатчиках используются электронные лампы (специальной конструкции) и приборы СВЧ, в относительно маломощных – полупроводниковые приборы и микросхемы. В транзисторных передатчиках при использовании активных элементов в герметичных корпусах и стандартных деталей, соединенных навесным монтажом, существенно упрощается технология ремонта и настройки.

В радиопередающих устройствах, к которым предъявляются жесткие требования стабильности частоты колебаний и обеспечения других энергетических показателей, целесообразно применять корпусные активные элементы, соединенные с другими элементами схемы обычной пайкой и навесным монтажом, обеспечивающим меньшую емкость монтажа. Это позволяет проверить надежность каждого элемента и обеспечить высокую надежность всей системы.

В настоящее время ведутся работы по созданию передающих устройств на основе мощных транзисторных и диодных структур, закрепленных на шайбах с высокой теплопроводностью, и наличием входных и выходных согласующих цепей. Однако, с учетом большого разнообразия радиосистем и различия требований, предъявляемых к ним, унифицировать узлы передатчиков достаточно сложно.

В СВЧ диапазонах все большее применение находят генераторы на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах, которые позволяют при достаточно высоких мощностях получать колебания на частотах до 30 ГГц, а с учетом малых габарито-массовых показателей этих генераторов большое применение находят методы сложения мощностей. Кроме того, по мере развития антенно-фидерных систем и повышения чувствительности радиоприемных устройств возрастает возможность использования маломощных генераторов.

При выборе вида активного элемента необходимо анализировать их особенности и возможности работы в заданных конкретных условиях.

Применительно к радиопередающим устройствам к основным преимуществам транзисторов следует отнести следующее:

• лучшая устойчивость к механическим воздействиям, чем у электровакуумных ламп;

• отсутствие цепей накала, что существенно уменьшает время вхождения в рабочий режим и упрощает вопросы резервирования;

• низкие питающие напряжения на электродах упрощают схемы источников питания и их конструкцию;

• малые сопротивления нагрузки обеспечивают широкодиапазонность работы при относительно простых схемах резонансных систем.

При этом полупроводниковые приборы имеют ряд существенных недостатков при использовании в передающих устройствах:

• допустимая рабочая температура n-pперехода мала (~85 °C для германиевых и порядка 150 °C для кремниевых);

• значительная зависимость параметров от температуры;

• недопустимость даже кратковременной перегрузки;

• существенное влияние наведенных ЭДС, вплоть до выхода перехода из строя;

• значительный разброс параметров, даже в пределах одной партии;

• малый коэффициент усиления по мощности на относительно высоких частотах (K_p ≈3-5);

• существенная зависимость параметров от уровня токов, напряжений и мощностей;

• высокая чувствительность к действию проникающей радиации;

• относительно высокая стоимость по сравнению с генераторными лампами.

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА

Под радиоприемными устройствами следует понимать совокупность элементов, предназначенных для улавливания, пробразования, усиления и использования энергии электромагнитных колебаний, излучаемых передатчиками, другими источниками или переизлученных пассивными отражателями.

В этой связи любое радиопередающее устройство должно включать:

• Антенно-фидерное устройство;

• Радиоприемник;

• Оконечное устрйство.

Вид этих составных частей РПУ определяется ег целевым назначеним. На практике РПУ подразделяют на две группы:

• профессинальные;

• радиовещательные.

Первые предназначны для выполнения специальных технических задач (радиосвязь, радиолокация, радионавигация, радиоуправлени), Вторые для приема звуковых и телевизионных программ. Как составная часть радиоприемного устройства непосредственно приемник классифицируется по следующим признакам:

• по характеру модуляции прнимаемого сгнала;

• по диапазону длин волн прнимаемых сигналов;

• по принципу построения структурных схем.

Структурные схемы радиоприемников

ЭДС, наводимая в приемной антенне, имеет достаточно сложную форму, т.к. кроме составляющей полезного сигнала, содержит составляющию помех. В тоже время сам приемник является источником помех (собственные шумы приемника) из-за флюктуационных процессов в его элементах. В этой связи первой функцией приемника является выделение полезного сигнала из суммарной ЭДС, наводимой в антенне, т.е. селекция полезного сигнала. Селекция осуществляется по ряду признаков полезного сигнала. Широкое применение находит частотная селекция, осуществляемая за счет перестройки резонансных контуров на частоту полезного сигнала. Селективные свойства приемника по несущей частоте характеризуются как избирательность. В приемниках импульсных сигналов используется временная селекция за счет запирания одного из каскадов на время паузы между импульсами. Возможна прстранственная селективность и другие виды.

В результате сопоставления сигналов на входе приемника и напряжения, обеспечивающего нормальную работу оконечного устройства можно сделать следующие выводы:

• на выходе приемной антенны всегда имеется высокочастотный модулированный сигнал, а закон его модуляции определяется характером полезной информации, заключенной в принятом сигнале;

• на вход оконечного (исполнительного) устройства необходимо подводить низкочастотное напряжение;

• закон изменения низкочастотного напряжения должен, по возможности, точнее соответствовать закону модуляции принимаемого сигнала.

Следовательно, второй функцией радиоприемника является преобразование высокочастотного модулированного напряжения в низкочастотное, изменяющееся во времени по закону модуляции принимаемого сигнала.

В большинстве случаев мощность принимаемых сигналов мала и недостаточна для нормально работы оконечного устройства. Третьей функцией радиоприемника является усиление усиление принятого сигнала на различных частотах.

С учетом изложенного, простейшую функциональнцю схему радиоприемника можно представить на рис. 1.

Рис. 1

Для улучшения селекции помех на выходе антенны в первый каскад приемника включается входная цепь, состоящая из одного или нескольких связанных контуров.

Усилитель высокой частоты усиливает сигнал до уровня, обеспечивающего нормальную работу детектора, как правило это (0.5 2) В. В зависимости от типа детектора. Кроме того УВЧ совместно с ВЧ обеспечивает избирательность приемника. Детектор обеспечивает преобразование ВЧ сигнала в низкочастотное напряжение, изменяющееся по закону передаваемой информации.

УНЧ – усиливает входной сигнал детектора до величины, обеспечивающей нормальную работц оконечного устройства. Одновременно УНЧ может осуществлять и селекцию низкочастотного сигнала при использовании нескольких оконечных устройств.

Каскады приемника, включенные между антенной и детектором принято называть высокочастотным трактом. В представлено схеме ВЧ тракт осуществляет основное усиление, благодаря чему эту схему называют приемником прямого усиления. В схеме могут отсутствовать УВЧ и УНЧ и тогда приемник будет детекторным. Усиление по высокой частоте связано с определенными трудностями, так как необходимо иметь многокаскадный усилитель с постоянным коэффициентом усиления в полосе частот, что сопряжено с определенными техническими трудностями.

В этой связи наибольшее применение нашли супергетеродинные приемники рис. 2.

Рис. 2

В данном приемнике основное усиление осуществляется на промежуточной частоте, которая образуется в процессе преобразования частоты, с сохранением закона модуляции. Основное усиление и избирательность в ВЧ тракте осуществляется на промежуточной частоте, постоянной и независящей от настройки радиоприемника.

Основные качественные показатели радиоприемника.

Требования, предъявляемые к приемникам в первую очередь определяются их целевым назначением. На основании этих требований устанавливается численные крейтерии качественных показателей радиоприемников. К таким показаниям следует отнести:

• Чувствительность;

• Избирательность;

• Помехоустойчивость;

• Диапозон рабочих частот;

• Выходная мощность;

• Динамический диапозон принимаемых сигналов;

• Качество воспроизведения информации;

• Устойчивость в работе;

• Удобство управления и ремонтопригодность;

• Экономичность питания;

• Стоимость, габариты и вес.